高效煙絲裝箱系統的設計與應用

盧志敏，江 琳，張 偉，廖和濱

龍巖煙草工業有限責任公司，福建省龍巖市新羅區1299 號 364000

箱式貯絲是制絲生產中的重要環節，具有煙絲儲存和柔性化生產等功能。生產中貯絲庫倉儲管理系統將加香后煙絲送入成絲柜，經過煙絲裝箱、輸送、儲存、翻箱倒料、風力送絲送至卷接機組卷制［1］。當前煙絲裝箱主要有多箱鋪料裝箱和單箱多工位循環裝箱兩種方式。多箱鋪料方式具有煙絲混裝功能，但占地面積大、連續性差、裝箱能力低；單箱多工位方式可實現連續裝箱，且占地面積小，精度可控［2］，但裝箱機裝箱時間需要2 min/箱左右。目前國內卷煙企業普遍采用雙頭裝箱系統，以意大利GD公司研發的GARBUIO 大流量雙頭裝箱系統為例，單箱裝箱質量180 kg，最大裝箱能力為9 000 kg/h，當一個機頭裝箱時，另一個機頭可以同時完成煙絲壓實、套箱回收、煙箱加蓋、實箱出位、空箱就位等動作［3］。系統中每個機頭的進料方式一樣，通過分配行車實現均勻布料，但由于料頭料尾的影響，實際平均裝箱能力約為8 400 kg/h。隨著卷煙生產自動化程度不斷提高，制絲線最大加香能力可達到12 000 kg/h，加香后煙絲進入成絲柜后，根據工藝要求一個批次煙絲對應一個成絲柜，整批次煙絲全部入柜后方可出柜裝箱［4］。而目前煙絲裝箱能力普遍小于9 000 kg/h，總體上低于加香能力。大部分卷煙廠通過增加成絲柜數量來解決裝箱機能力不匹配等問題，1臺裝箱機至少配套3個成絲柜才能基本保證加香后煙絲進柜不用等待，若受空間布局限制無法增加成絲柜，則會出現加香后煙絲等待入柜等問題，影響制絲生產效率。針對此，胡運林等［5］設計了一種雙工位煙絲自動裝箱機，裝箱時間約為75 s/箱，按180 kg/箱計算，裝箱能力約為8 640 kg/h，是單工位裝箱機的1.6倍。吳國忠等［6］在裝箱系統的縱向與橫向往復鋪料皮帶輸送機之間增加一個緩存裝置，解決了單箱多工位煙絲裝箱能力與膨脹煙絲生產線小流量生產能力不匹配等問題。王志明等［7］研制了一種下壓煙絲設備，通過提高煙絲箱的空間利用率，增加了煙絲箱的裝絲量。徐俊敏等［8］通過優化GARBUIO 裝箱系統的軟硬件，對鋪料方式進行改進，提高了物料均勻性。許世民等［9］通過改進膨脹煙絲稱量裝箱方法，提高了工作效率和控制精度。楊浩等［10］通過優化膨脹煙絲裝箱過程中箱蓋保持機構，增加了單箱裝箱質量。李鈺靚等［11］設計了基于Profibus 的煙絲裝箱RFID 控制系統，以提高煙絲箱信息校驗的準確性。而對于提高裝箱機裝箱能力的研究及改進則鮮見報道。為此，在不增加成絲柜數量的前提下，對GARBUIO煙絲裝箱系統進行優化設計，通過簡化裝箱動作，減少煙絲加香后等待入柜時間，以期進一步提高制絲生產效率。

1 存在問題

1.1 系統結構

雙頭煙絲裝箱系統由壓實機構（1）、煙絲箱（2）、鏈式輸送機（3）、側開式加取蓋機（4）、伸縮式套箱（5）、電子皮帶秤（6）、縱向布料車（7）和橫向布料車（8）等部分組成，見圖1。煙絲經上游帶式輸送機送至電子皮帶秤，通過縱向布料車和橫向布料車送入A頭裝箱。在A頭裝箱過程中，B頭同時完成輔助裝箱動作，即完成壓實機構下壓、保壓、提升，套箱抬起，實箱加蓋，B 頭實箱出位，B 頭下一個空箱入位，空箱取蓋，套箱下降等一系列動作。當電子秤控制裝箱質量達到設定值時，A頭裝箱結束，橫向布料車反向運行將煙絲送入B 頭進行裝箱，同時A 頭完成輔助裝箱動作，如此循環往復，系統工作流程見圖2。為保證裝箱連續性，一頭裝箱完成時，另一頭必須完成輔助裝箱動作，即裝箱時間≥輔助裝箱時間。因此，裝箱系統的裝箱能力取決于輔助裝箱時間的長短，而通過調節煙絲輸送速度可以調整裝箱時間。

圖1 雙頭裝箱系統結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of double-end case filling system

圖2 雙頭裝箱系統工作流程圖Fig.2 Workflow of double-end case filling system

分解輔助裝箱動作可知：①壓實機構壓實時間20 s（下壓15 s+保壓時間5 s）；②壓實機構提升時間15 s；③套箱回收時間4 s；④原工位加蓋8 s；⑤實箱出位后空箱進入裝箱工位15 s；⑥空箱取蓋6 s；⑦套箱下移到位4 s。可見，輔助裝箱總時間t 為72 s。按180 kg/箱計算，最大裝箱能力為（3 600/72）×180=9 000 kg/h，考慮到料頭料尾導致裝箱速度變慢以及設備故障等原因，實際裝箱能力小于9 000 kg/h。

1.2 問題分析

以龍巖煙草工業有限責任公司制絲一區大線為例，貯絲房內只有2個成絲柜，加香機平均加香能力為10 000 kg/h，裝箱系統平均裝箱能力約為8 400 kg/h（按180 kg/箱計算），裝箱能力與加香能力不匹配。當2個成絲柜均裝滿煙絲時，加香后煙絲無柜可進，存在煙絲等柜問題，影響制絲生產效率。分析可知，輔助裝箱動作同步性差是造成煙絲等柜的主要原因。一個動作完成后才能進行下一個動作，部分動作無法同時進行，具體表現為：①側開式加取蓋機在原工位加蓋，造成下一空箱無法及時進入。②伸縮式套箱由軟簾和氣缸組成，套口為上下兩段式，上端固定，在氣動機構驅動下將下端套口提升一定高度，但套箱提升時軟簾與壓實機構容易發生干涉，壓實機構必須提升到位后套箱才可動作。③壓實機構為單軸式齒輪齒條驅動，載荷相對集中，使用過程中穩定性較差。④伸縮式套箱密封性差，導致軟簾處積料嚴重，煙絲裝箱過程中存在漏料問題，隨著煙絲煙末增多，則會遮擋光電開關造成設備故障，影響裝箱能力。

2 改進方法

2.1 系統設計

在原裝箱系統的基礎上，對側開式加取蓋機、伸縮式套箱和壓實機構進行了改進。①改變側開式加取蓋機的加取蓋方式，將原工位加蓋改為下一工位加蓋；②將兩段結構的伸縮式套箱改為單層整體式套箱。③將壓實機構的單軸式齒輪齒條改成雙軸式齒輪齒條，提高機構穩定性，并增加一組接近開關和實箱出位擋板，通過修改控制程序，實現部分動作同時進行。由圖3可見，改進后壓實機構與套箱同步提升；套箱提升到位后，壓實機構與實箱出位同步進行；實箱到位后，壓實機構繼續提升、實箱加蓋和下一空箱入位同步進行；壓實機構到位、實箱加蓋完成后，空箱繼續入位和加取蓋機進入取蓋工位同步進行。

圖3 改進后雙頭裝箱系統工作流程圖Fig.3 Workflow of double-end case filling system after modification

2.2 側開式加取蓋機

改進后加取蓋機由水平移動模組（1）、拖鏈組（2）、夾持裝置（3）、機架（4）等組成，見圖4。將加取蓋機設置在裝箱工位后方，加蓋方式由原工位加蓋改為下一工位加蓋，夾持裝置的水平移動行程為200 mm。加取蓋機對應一個加蓋工位（1-1）和一個取蓋工位（1-2），其中取蓋工位與裝箱工位為同一工位。設備待機狀態下，夾持裝置位于加蓋工位正上方，當取蓋工位煙箱到位時，鏈式輸送機向加取蓋機發送請求取蓋信號，加取蓋機動作，拖鏈組拖動夾持裝置通過水平模組向取蓋工位水平移動，夾持裝置水平移動到煙箱正上方后下降，完成取蓋動作；箱蓋被完全提起且夾持裝置夾抱到位后，夾持裝置水平移動到加蓋工位等待，發送取蓋完成信號；待煙箱裝滿出位至加蓋工位后，鏈式輸送機向加取蓋機發送請求加蓋信號，夾持裝置下降完成加蓋動作后，發送煙箱放行信號，同時夾持裝置在加蓋工位正上方等待下一個命令。

圖4 改進后加取蓋機結構示意圖Fig.4 Structure of capping/uncapping machine after modification

加取蓋機的機架采用優質碳鋼板組焊而成，各部件之間采用螺栓連接。水平移動模組配備伺服電機，實現夾持裝置加蓋和取蓋過程中速度穩定及定位準確。拖鏈組采用柔性拖鏈，保證輸送過程平穩可靠。夾持裝置由升降氣缸、夾抱氣缸等部分組成，升降氣缸完成加蓋和取蓋動作，夾抱氣缸完成箱蓋固定動作。改進后采用西門子S7-1500系列處理器對加取蓋機進行程序控制，利用FC302 系列變頻器控制電機驅動，通過西門子ET200S系列電機啟動器控制電機啟動，從而實現精準定位。

2.3 整體式套箱

改進后套箱由套口（1）和氣動機構（2）組成，見圖5。套箱采用單層提升方式，為直上直下式，與壓實機構不產生機械干涉。當裝箱完成，橫向布料車切換至另一頭裝箱時，橫向布料車向套箱發送請求提升信號，在氣動機構的驅動下套箱向上運動。套箱在提升或下降過程中整體壓在煙箱上，提高煙箱密封性，解決了裝箱過程中的漏料問題。

圖5 改進后套箱結構示意圖Fig.5 Structure of case-sleeve after modification

2.4 壓實機構

改進后壓實機構由驅動裝置（1）、升降裝置（2）、頂部到位擋板（3）、實箱出位擋板（4）、機架（5）、壓頭（6）等部分組成，見圖6。驅動裝置由減速電機、軸、齒輪組成，是整個壓實機構的傳動源。升降裝置由升降支架、直線導軌、雙軸式齒輪齒條等組成。頂部到位擋板和實箱出位擋板通過接近開關檢測是否到位。壓頭設計為格柵狀，在壓實物料時方便排氣，提高壓實效果。壓實機構位于布料口上方，當電子秤稱量后達到設定質量時，橫向布料車切換至另一頭裝箱，橫向布料車向壓實機構發送請求下降信號，升降裝置通過驅動裝置帶動齒條向下運動。當壓實機構將煙箱壓到一定位置且保壓一段時間后，電機反轉，壓實機構提升；當接近開關檢測到實箱出位擋板時，觸發接近開關，實箱出位并發送下一空箱進入信號，同步壓實機構繼續提升；當接近開關檢測到頂部到位擋板時，壓實機構完成工作。原壓實機構要上升到頂部煙箱才可出位，改進后只要接近開關檢測到實箱出位擋板到位時即可出位，節省了輔助裝箱時間。

圖6 改進后壓實機構結構示意圖Fig.6 Structure of pressing mechanism after modification

2.5 輔助裝箱時間

改進后部分動作可同時進行，分解輔助裝箱動作可知：①壓實機構壓實時間20 s（壓頭下壓15 s+保壓時間5 s）；②壓實機構與套箱同步提升，上升6 s后即可實現實箱出位；③壓實機構繼續提升到位、實箱同步出位、加蓋、下一空箱同步進入裝箱工位、加取蓋機進入取蓋工位共計18 s；④空箱取蓋8 s；⑤套箱下移到位3 s。改進后輔助裝箱時間t為55 s，最大裝箱能力達到11 782 kg/h。

3 應用效果

3.1 實驗設計

材料：“七匹狼（白狼）”牌卷煙煙絲，單批次煙絲質量約為7 400 kg（由龍巖煙草工業有限責任公司提供）。

設備：貯絲房內裝箱系統（額定裝箱能力為9 000 kg/h，意大利GARBUIO公司）。

方法：按每天5 批次，5 個工作日計算。采用電子秤統計單批次煙絲質量，通過MES系統采集每批次生產時間，裝箱能力=批次煙絲質量/批次生產時間，統計改進前后單批次裝箱能力；依據OEE（設備綜合效率）采集煙絲等待入柜時間。

3.2 數據分析

由表1可見，改進后平均裝箱能力由8 408.7 kg/h提高到11 134.6 kg/h，增幅32.4%，大于加香能力（10 000 kg/h），有效解決了裝箱能力與加香能力不匹配而造成煙絲等柜問題。由表2可見，改進后平均煙絲等柜時間由0.27 h/批次減少到0.04 h/批次，縮短0.23 h/批次，這是由于改進后部分動作同步進行，減少了輔助裝箱時間，提高了裝箱速度和設備穩定性。

表1 改進前后裝箱能力①Tab.1 Case filling capacity before and after modification （kg·h-1）

表2 改進前后煙絲入柜等待時間Tab.2 Waiting time for cut tobacco to enter tobacco silos before and after modification （h·批次-1）

4 結論

在不增加成絲柜前提下，對GARBUIO 裝箱系統的加取蓋機、套箱、壓實機構進行了改進，通過精簡動作，實現了部分輔助裝箱動作同步進行，解決了因裝箱能力與加香能力不匹配而造成的煙絲等柜問題。以龍巖煙草工業有限責任公司貯絲房裝箱系統為對象進行對比測試，結果表明：改進后平均裝箱能力達到11 134.6 kg/h，大于10 000 kg/h的加香能力，平均煙絲等柜時間減少0.23 h/批次，有效提升了系統裝箱能力，提高了制絲生產工作效率。